Revolutionärer Hardy-Transistor verbessert die Sicherheitsüberwachung von Kernreaktoren

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Kyle Reed von ORNL leitete ein Team, das einen von ORNL hergestellten, robusten neuen Transistortyp im Reaktorbecken testete, während er im Kernreaktorlabor der Ohio State University vor Strahlung glüht. (Bild:Michael Huson/The Ohio State University)

Die Sicherheit und Effizienz eines großen, komplexen Kernreaktors kann durch einfache Hardware wie einen winzigen Sensor zur Überwachung eines Kühlsystems erhöht werden. Aus diesem Grund arbeiten Forscher am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums daran, diese grundlegenden Sensoren genauer zu machen, indem sie sie mit Elektronik kombinieren, die der intensiven Strahlung im Inneren eines Reaktors standhalten kann.

Das ORNL-Forschungsteam hatte kürzlich unerwartet große Erfolge bei der Verwendung eines Galliumnitrid-Halbleiters für die Sensorelektronik. Ein aus diesem Material hergestellter Transistor hielt den Betrieb in der Nähe des Kerns eines Kernreaktors des Forschungspartners Ohio State University aufrecht.

Galliumnitrid, ein Halbleiter mit großer Bandlücke, war zuvor gegen die ionisierende Strahlung getestet worden, die auftritt, wenn Raketen durch den Weltraum rasen. Geräte mit Halbleitern mit großer Bandlücke können bei viel höheren Frequenzen, Temperaturen und Bestrahlungsraten betrieben werden. Aber Galliumnitrid war der noch intensiveren Strahlung des Neutronenbeschusses nicht ausgesetzt gewesen. „Wir zeigen, dass es für diese Neutronenumgebung großartig ist“, sagte der leitende Forscher Kyle Reed, Mitglied der Gruppe „Sensoren und Elektronik“ am ORNL.

Das könnte einen großen Aufschwung für die Geräteüberwachung in Nuklearanlagen bedeuten. Die von den Sensoren gesammelten Informationen liefern frühzeitige Warnungen vor Verschleiß an der Ausrüstung und ermöglichen eine rechtzeitige Wartung, um umfassendere Geräteausfälle zu vermeiden, die zu Reaktorstillständen führen. Derzeit werden diese Sensordaten aus der Ferne über meterlange Kabel verarbeitet, die mit siliziumbasierten Transistoren an die Elektronik angeschlossen sind.

„Unsere Arbeit macht die Messung der Bedingungen in einem in Betrieb befindlichen Kernreaktor robuster und genauer“, sagte Reed. „Bei langen Kabeln entsteht viel Rauschen, das die Genauigkeit der Sensorinformationen beeinträchtigen kann. Indem Sie die Elektronik näher an einem Sensor platzieren, erhöhen Sie dessen Genauigkeit und Präzision.“ Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Wissenschaftler Elektronik entwickeln, die Strahlung besser verträgt.

Forscher bestrahlten drei Tage lang Galliumnitrid-Transistoren bei Temperaturen von bis zu 125 Grad Celsius nahe dem Kern des Forschungsreaktors der Ohio State University. „Wir hatten voll und ganz damit gerechnet, die Transistoren am dritten Tag zu zerstören, und sie haben überlebt“, sagte Reed. Das Team brachte die Transistoren bis zur Sicherheitsschwelle des Reaktors:Sieben Stunden bei 90 % Leistung.

Die Galliumnitrid-Transistoren waren in der Lage, eine mindestens 100-mal höhere akkumulierte Strahlungsdosis zu bewältigen als ein Standard-Siliziumgerät, sagte Forscherin Dianne Ezell, Leiterin der ORNL-Gruppe für Nuklear- und Extremumgebungsmessungen und Mitglied des Transistor-Forschungsteams.

Sie sagte, das Transistormaterial müsse in der Lage sein, mindestens fünf Jahre, das normale Wartungsfenster, im Pool eines Kernreaktors zu überstehen. Nachdem das Forschungsteam das Galliumnitrid-Bauelement tagelang viel höherer Strahlung im Kern selbst ausgesetzt hatte, kam es zu dem Schluss, dass die Transistoren diese Anforderung übertreffen würden.

Dies ist ein wichtiger technischer Fortschritt, da sich die Aufmerksamkeit von der bestehenden Flotte großer Kernkraftwerke auf Mikroreaktoren richtet, die eine Leistung von mehreren zehn bis Hunderten von Megawatt erzeugen könnten. Obwohl sich diese neuartigen Reaktordesigns noch in der Entwicklungs- und Lizenzierungsphase befinden, könnte ihre potenzielle Tragbarkeit den Einsatz auf der Ladefläche eines Lastwagens in einem Militär- oder Katastrophengebiet ermöglichen.

Fortschrittliche Reaktoren werden für den Betrieb bei höheren Temperaturen und unter Verwendung verschiedener Brennstoffformen entwickelt. Da Mikroreaktoren so kompakt sein werden, müssen alle Betriebskomponenten, einschließlich der Sensoren, im Strahlungsfeld funktionieren können, sagte Ezell. Galliumnitrid-Transistoren könnten der Schlüssel sein.

Forscher des US-Bundesstaates Ohio bauten Geräte unterschiedlicher Bauart und Größe, um die vom ORNL festgelegten Spezifikationen zu erfüllen. Anschließend verglich das Team ihre Reaktionen auf Strahlung und stellte fest, dass größere Geräte weniger anfällig für Strahlenschäden zu sein schienen. Ohio State entwickelt derzeit Computermodelle, um zu prognostizieren, wie sich verschiedene Schaltungsdesigns bei unterschiedlichen Temperaturen und Strahlungsniveaus verhalten.

Reed sagte, die Strahlungstests an der Ohio State hätten gezeigt, dass Hitze für Galliumnitrid offenbar schädlicher sei als Strahlung. Daher möchte das Forschungsteam messen, wie Galliumnitrid allein auf Wärme reagiert. „Da das ultimative Ziel darin besteht, Schaltkreise mit diesen Materialien zu entwerfen, können wir diese im Schaltkreisdesign kompensieren, sobald wir die Temperatur- und Strahlungseffekte verstanden haben“, sagte Reed.

Eine bessere nukleare Überwachung bedeute mehr Sicherheit und geringere Betriebskosten, betonte Ezell. „Jeden Tag, an dem ein Reaktor abgeschaltet wird, gehen Hunderttausende Dollar verloren“, sagte sie. „Wenn wir die Kernenergie gegenüber anderen Energiebranchen wirtschaftlich konkurrenzfähig machen wollen, müssen wir unsere Kosten niedrig halten.“ Darüber hinaus verringert die Reduzierung der Wartungshäufigkeit das Risiko für die menschliche Sicherheit. „Sie können vermeiden, dass Menschen so oft strahlungsintensiven Umgebungen ausgesetzt werden oder mit radioaktivem Material umgehen“, fügte Ezell hinzu.

Obwohl Galliumnitrid seit etwa einem Jahrzehnt kommerziell erhältlich sei, sei es nicht weit verbreitet, sagte Reed. „Wir eröffnen verschiedene Nebenmöglichkeiten für die Verwendung von Galliumnitrid, damit wir beginnen können, eine vernünftigere Marktnachfrage für Investitionen, Forschung und Personalentwicklung für Unterklassen der Elektronik über den Verbraucherbereich hinaus zu schaffen“, sagte Reed.

Langfristig möchten die Forscher zeigen, dass Galliumnitrid-Schaltkreise genutzt werden könnten, um Daten von Sensoren drahtlos zu übertragen. Das Material wird bereits für Geräte verwendet, die Hochfrequenzanwendungen unterstützen, wie Mobiltelefone und Leistungselektronik.

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